[發明專利]一種逆導型集成門極換流晶閘管

有效

• 申請號: 201210524325.0
• 申請日: 2012-12-07
• 公開（公告）號: CN102969315A
• 公開（公告）日: 2013-03-13
• 發明（設計）人: 陳芳林;劉可安;唐龍谷;張弦;雷云
• 申請（專利權）人: 株洲南車時代電氣股份有限公司
• 主分類號: H01L27/082
• 分類號: H01L27/082;H01L21/761
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所 43008
• 代理人: 趙洪

技術領域

本發明涉及一種功率半導體開關器件的結構，尤其是涉及一種逆導型集成門極換流晶閘管（RCGCT，Reverse?Conducting?Integrated?Gate?Commutated?Thyristor）的結構。

背景技術

逆導型集成門極換流晶閘管（Reverse?Conducting?Integrated?Gate?Commutated?Thyristor，RCGCT）是一種在一個芯片上集成了GCT（Gate?Commutated?Thyristor，門極換流晶閘管）與FRD（Fast?Recovery?Diode，快恢復二極管）的電力電子器件。其中，GCT是一種電力電子開關器件，典型的工作狀態為導通狀態、阻斷狀態以及狀態轉換的開通過程和關斷過程。電極有門極（Gate，控制極），陽極（Anode）和陰極（Cathode）。在電力電子器件中GCT主要作為開關元件。而FRD的典型結構為PIN結構，電極有陽極（Anode）和陰極（Cathode）。在電力電子器件中FRD主要用于續流和嵌位。但GCT和FRD并不同時工作，因此需要將其進行電性能隔離。如附圖1所示，GCT與FRD兩部分之間設計一個環狀隔離區，以隔離GCT與FRD之間的相互影響，保證器件安全可靠獨立工作。

以硅為代表的半導體器件都是在原始單晶的基礎上進行一定的加工工藝，形成特定結構和摻雜分布，從而實現器件功能。其中摻雜劑分成兩類：一類為N型摻雜劑，如磷和砷原子。另一類為P型摻雜劑，如硼、鋁和鎵原子。大功率半導體的摻雜劑常用磷、硼、鋁和鎵。通常在“N”或“P”后增加一定的符號表明摻雜的輕重程度。如“N-”表示非常低的N型摻雜（13次方量級），這通常表示襯底；“N′”表示14～16次方個量級的輕摻雜；“N+”表示重摻雜（通常在18次方以上）。P型雜質的輕重摻雜也可同樣表示。

隔離技術是RCGCT器件的關鍵技術。當前，隔離技術的難點在于：

（1）隔離區有效寬度的控制。過窄不能有效隔離，過寬則消耗器件的有效面積，且影響器件的耐壓水平。

（2）隔離區的橫向耐壓水平。隔離區雙向均需達到20V及以上的耐壓，以保證器件間的獨立性。

（3）隔離區形成工藝不得影響器件各個部分的耐壓水平和其它特性。

（4）工藝必須簡單可行。若通過復雜、多次擴散和光刻工藝來保證隔離，易造成生產成本的提高、生產周期的延長、工藝缺陷幾率的增加等負面影響。

現有的隔離技術是以PNP+溝槽隔離為基礎，PNP隔離是指采用本征N-襯底，兩側進行P雜質擴散，通過設計控制合適的寬度，實現GCT和FRD的隔離。溝槽是指在隔離區PNP基礎上在本征N-區通過刻蝕工藝形成一個溝槽。已有三種相似的現有技術歸納如下：

現有技術一：如附圖2所示，該技術方案采用PNP+溝槽隔離方式。PNP+溝槽的隔離是逆導器件隔離區具有的共同特點，其他隔離方法都是在該方法的基礎上做一些優化。

現有技術二：如附圖3所示，該技術方案采用隔離區表面N摻雜結合場環+溝槽隔離方式。場環結構是在N型隔離區中摻雜一道一道的P型區，當GCT陽極施加高電壓之后，隔離區中數個PN結一起承受高電壓，從而實現隔離要求。

現有技術三：如附圖4所示，該技術方案采用隔離區N+摻雜結合場板+溝槽的隔離方式。隔離區中進行N型重摻雜。場板結構是指在隔離區表面先后制作一層絕緣層（SiO₂）和金屬層，金屬層和一側電極相連，可以在電極上施加電壓之后改變隔離區電場的分布，從而滿足隔離的要求。

其中，在附圖2至附圖4中所示的A部分均為隔離區。

以上三種現有技術存在的不足主要有以下幾點：

（1）隔離區邊界不易控制。現有隔離技術其隔離區采用N-襯底，N-襯底是低摻雜，P基區的結深約80～150μm，雜質的橫向擴散距離也較大。如附圖5所示，當橫向擴散使雜質濃度從18～19次方的高濃度降低到襯底濃度時，表面狀況的一些差異將導致橫向擴散距離產生較大的偏差。如附圖6所示是橫向擴散距離體現出隔離區寬度的變化示意圖。因此自然的PNP隔離其隔離區N區寬度不易控制，尤其是N區寬度很小時，N區寬度的變化很可能導致隔離無效。從附圖5中也可以看出將PN結邊界的濃度升高，可以削弱橫向擴散差異對隔離區寬度的影響，從而增加工藝制作的可控性。